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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Betrieb
eines batteriebetriebenen Elektrogerätes, bei welchem die Regelung
des Entladestromes der Batterie mittels einer Pulsweitenmodulierung
erfolgt. Verfahren der eingangs genannten Art kommen insbesondere
bei der Regelung des Strombedarfs von batteriebetriebenen Werkzeugmaschinen
zum Einsatz.
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Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, Werkzeugmaschinen wie Schleifgeräte, Schrauber, Bohrmaschinen
oder Handkreissägen
mit einer Batterie auszustatten, sodass diese Geräte auch
netzunabhängig
eingesetzt werden können.
Ein wirtschaftlicher Betrieb stellt sich dabei insbesondere bei
der Verwendung von wieder aufladbaren Batterien ein, welche nach
Gebrauch mittels eines Ladegerätes aus
einem öffentlichen
Stromnetz oder dem Bordnetz eines Fahrzeuges für einen erneuten Einsatz geladen
werden können.
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Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei wechselndem Energiebedarf
der Werkzeugmaschine den aus der Batterie entnommenen Strom mittels
einer Pulsweitenmodulierung zu regeln. Der Batterie werden dabei
Stromimpulse entnommen, welche höher
sind, als der benötigte
Antriebsstrom. Einzelne Stromimpulse sind durch Pausenzeiten von
einander getrennt, in welchen der entnommene Strom niedriger ist
als der benötigte
Antriebsstrom. Fallweise kann der entnommene Strom in den Pausenzeiten
bis auf Null abfallen. Durch Regelung der Pulslängen und der Pausenzeiten zwischen
den Pulsen wird der gewünschte
effektive Strom und damit bei gegebener Spannung die effektive dem
Gerät zugeführte Leistung
eingestellt.
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Nachteilig
an diesem Stand der Technik ist jedoch die Tatsache, dass Batterien
für Werkzeugmaschinen
mit hohem Leistungsbedarf entweder bei Betrieb der Werkzeugmaschine
sehr schnell entladen werden oder sehr groß und unhandlich sind. Darüber hinaus
kann sich das Problem ergeben, dass Batterien mit einem hohen Energieinhalt
als Gefahrgut angesehen werden, was die Lagerung, die Herstellung
und den Vertrieb der Batterien zusätzlich erschwert.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Elektrogerätes anzugeben,
mit welchem ein Elektrowerkzeug mit hohem Energiebedarf einfach
und kostengünstig
betrieben werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Betrieb eines batteriebetriebenen Elektrogerätes, bei
welchem die Regelung des Entladestroms der Batterie mittels einer
Pulsweitenmodulierung erfolgt, wobei mindestens eine erste Batterie
und mindestens eine zweite Batterie bereitgestellt wird und die
Stromimpulse der ersten Batterie im Wesentlichen in den Impulspausen
der zweiten Batterie abgegeben werden.
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Weiterhin
besteht die Lösung
der Aufgabe in einer Vorrichtung zur Stromregelung bei der Entladung
einer Mehrzahl von parallel geschalteten Batterien, bei welcher
jede Batterie über
ein zugeordnetes Schaltelement mit einem Verbraucher verbindbar
ist und mit einer Steuerschaltung, mit welcher die Schaltelemente
artsteuerbar sind, sodass die von einer Batterie abgegebene Leistung
durch eine Pulsweitenmodulation des Stromes steuerbar ist und welche dazu
eingerichtet ist, jeweils genau eine Batterie aus der Mehrzahl von
Batterien mit dem Verbraucher zu verbinden.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
ein Elektrowerkzeug mit zwei oder mehreren Batterien zeitgleich
zu betreiben. Dadurch kann die verfügbare Leistung und die zur
Verfügung
gestellte Batteriekapazität
vergrößert werden.
Bei der Entladung der Batterien wird die entnommene Leistung durch
eine Pulsweitenmodulation geregelt. Dies bedeutet, dass jeder Batterie
einzelne Stromimpulse entnommen werden, welche auch größer sein
können
als der benötigte
Antriebsstrom. Nach jedem Stromimpuls folgt eine Pause, in welcher
der entnommene Strom niedriger ist als der benötigte Antriebsstrom. Bevorzugt, aber
nicht zwingend, fällt
der der Strom während
der Pausenzeiten auf Null. Durch Regelung der Impulslängen und
der Pausenzeiten zwischen den Impulsen wird der gewünschte effektive
Entladestrom einer jeden Batterie eingestellt.
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Weiterhin
wird vorgeschlagen, die pulsweitenmodulierten Ströme mehrerer
Batterien so zu kombinieren, dass ein Stromimpuls einer Batterie
in die Impulspause der anderen Batterie bzw. der anderen Batterien
geschaltet wird. Damit werden die betroffenen Batterien in kurzen
Zeitabständen
abwechselnd entladen. Aus Sicht des Anwenders ergibt sich damit
eine parallele Entladung.
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Das
erfindungsgemäße Entladeverfahren eignet
sich für
alle vorbekannten Batterien, also sowohl primäre Batterien also auch wieder
aufladbare Akkumulatoren, wie beispielsweise Nickel-Cadmium-Akkumulatoren,
Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder
Lithium-Polymer-Akkumulatoren
sowie weitere, hier nicht explizit genannte Typen.
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Eine
Batterie im Sinne der vorliegenden Erfindung enthält mindestens
eine Batteriezelle bzw. Akkumulatorzelle. Zur Erhöhung der
Spannung, der Stromlieferfähigkeit
oder der Kapazität
kann die Batterie mehrere Zellen umfassen, welche seriell und/oder
parallel miteinander verschaltet sind. Die Verschaltung kann dabei
unmittelbar, d. h. durch Drahtbrücken
oder mittels aktiver oder passiver Bauelemente erfolgen, wie z.
B. Widerstände,
Induktivitäten
oder Transistoren. Daneben kann die Batterie weitere Bauelemente
enthalten, beispielsweise eine Schaltung zur Kapazitätsermittlung,
zur Kodierung des Zelltyps, zur Feststellung der Alterung der einzelnen
Batteriezellen oder ähnliches.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Batterie in einem höheren Ladezustand,
d. h. eine Batterie, welche eine größere Ladungsmenge gespeichert
hat, starker belastet, als eine Batterie mit niedrigerem Ladezustand.
Auf diese Weise können die
Ladezustände
teilweise oder ganz aneinander angeglichen werden. Bei den Batterien
mit unterschiedlichem Ladezustand kann es sich entweder um unterschiedliche
Batterietypen handeln oder aber um Batterien vom nominell gleichen
Typ, welche jedoch aufgrund von Exemplarstreuungen oder aufgrund
der Vorbenutzung einer Batterie einen unterschiedlichen Ladezustand
aufweisen.
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Zur
Angleichung der Ladezustände
kann in einer Ausführungsform
der Erfindung vorgesehen sein, die Batterie mit dem höheren Ladezustand
zunächst
soweit zu entladen, bis diese den Ladezustand der Batterie mit dem
geringeren Ladezustand erreicht hat. Sodann werden beide Batterien
wechselweise bis zur Entladeschlussspannung entladen. In einer weiteren
Ausführungsform
der Erfindung kann jedoch auch vorgesehen sein, die Impulslängen und
die Pausenzeiten beider pulsweitenmodulierten Ströme so anzupassen,
dass die Batterie mit höherem
Ladezustand permanent stärker
belastet wird, sodass am Ende des Entladezyklus beide Batterien in
etwa gleichzeitig ihre Entladeschlussspannung erreichen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, beide Batterien
unabhängig
von ihrem Ladezustand mit ihrer maximalen Leistung, d. h. mit maximaler
Stromlieferfähigkeit,
zu belasten, wenn der Verbraucher den maximalen Strom von zwei oder
mehr Batterien benötigt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann darüber
hinaus vorgesehen sein, dass eine erste Batterie mit einer ersten
Nennkapazität und
einer ersten Stromlieferfähigkeit
eingesetzt wird und eine zweite Batterie mit einer zweiten Nennkapazität und einer
zweiten Stromlieferfähigkeit,
wobei sich diese Werte von denen der ersten Batterie unterscheiden.
Auf diese Weise kann die für
den Betrieb des Verbrauchers verwendete Batterie an den jeweiligen
Betriebszustand angepasst werden. Beispielsweise kann eine Batterie
mit geringer Kapazität
aber hoher Stromlieferfähigkeit
verwendet werden, um eine Spitzenlast kurzfristig bereitzustellen.
Daneben kann eine weitere Batterie mit höherer Kapazität aber geringerer
Stromlieferfähigkeit
für den
Teillastbereich verwendet werden. Um die bereitgestellte Maximalleistung
weiter zu erhöhen,
können
beide Batterien betrieben werden, um dem Verbraucher eine maximale
Leistung zur Verfügung
zu stellen. Um eine Teillast bereitzustellen, können beide Batterien so entladen
werden, dass ein Stromimpuls einer Batterie in die Impulspause der
anderen Batterie bzw. der anderen Batterien geschaltet wird.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
näher erläutert werden.
Dabei zeigt
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1 ein
erfindungsgemäßes Elektrowerkzeug
mit zwei Batterien,
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2 den
zeitlichen Verlauf des Stromes, welcher von zwei Batterien bereit
gestellt wird und den sich daraus ergebenden Gesamtstrom,
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3 eine
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Vorrichtung zur Stromregelung.
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1 zeigt
ein Elektrowerkzeug 3, nämlich einen Akkuschrauber bzw.
eine akkubetriebene Bohrmaschine. Das Werkzeug 3 weist
in seinem Gehäuseinneren
einen Elektromotor auf, mit welchem ein Werkzeug 4, beispielsweise
ein Bohrer oder ein Schraubendreher, in Rotation versetzt werden
kann.
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Zur
Versorgung des Elektromotors steht eine erste Batterie 1 und
eine zweite Batterie 2 zur Verfügung. Zur Aufnahme der Batterien
weist das Elektrowerkzeug 3 Schnittstellen auf, welche
einerseits eine elektrische Kontaktierung der Batterien ermöglichen und
andererseits für
eine mechanische Befestigung der Batterien 1 und 2 am
Gerät 3 Sorge
tragen.
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Das
Verhältnis
der vom Elektromotor aufgenommenen Leistung und der von den Batterien 1 und 2 bereitgestellten
Leistung kann dabei in unterschiedlicher Weise optimiert werden.
Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen
sein, dass die Batterien 1 und 2 so dimensioniert
sind, dass jede Batterie die volle Leistung des Elektrowerkzeuges 3 sicherstellen
kann. Durch den Einsatz einer zweiten Batterie erhöht sich
dann die zur Verfügung
gestellte Batteriekapazität,
wodurch die Betriebsdauer des Elektrowerkzeuges 3 vergrößert wird.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass nur die Stromlieferfähigkeit
von beiden Batterien 1 und 2 zusammen die volle
Leistungsfähigkeit
des Elektrowerkzeuges 3 sicherstellt. In diesem Fall ist
mit einer einzelnen Batterie 1 oder 2 der Betrieb
des Elektrowerkzeuges 3 in einem Teillastbetrieb möglich.
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2 zeigt
schematisch zwei Batterien 1 und 2. Neben den
Batterien ist die der jeweiligen Batterie entnommene Leistung gegen
die Zeit dargestellt. Die entnommene Leistung ergibt sich dabei
aus dem Produkt von Strom und Spannung, so dass die dargestellten
Kurven bei gegebener Batteriespannung auch ein Maß für den aus
jeder Batterie entnommenen Strom darstellen.
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Wie
aus 2 ersichtlich, werden jeder Batterie Stromimpulse
entnommen, welche durch Pausenzeiten von einander getrennt sind.
Die Dauer eines Stromimpulses bzw. einer Pausenzeit beträgt dabei
bevorzugt etwa 0,05 ms bis etwa 10 ms. Die Entladekurve der zweiten
Batterie entspricht derjenigen der ersten Batterie, wobei die Entladekurven
um eine halbe Periodendauer gegeneinander verschoben sind. Dadurch
wird sichergestellt, dass die Stromimpulse der zweiten Batterie
in die Pausenzeiten der ersten Batterie fallen. Umgekehrt fallen
die Stromimpulse der ersten Batterie in die Pausenzeiten der zweiten
Batterie. Im rechten Bildteil der 2 ist die Gesamtleistung
dargestellt, welche sich daraus ergibt, dass die Ströme der ersten
und der zweiten Batterie zeitgleich dem Verbraucher zugeführt werden, beispielsweise
einem Elektrowerkzeug 3. Sofern die Impulslängen der
einen Batterie den Pausenzeiten der anderen Batterie entsprechen,
ergibt sich für
die Gesamtleistung ein konstanter Verlauf.
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Durch
Anpassen der Pulslängen
und der Pausenzeiten kann der einer Batterie entnommene effektive
Strom eingestellt werden. Dadurch kann auch das Verhältnis eingestellt
werden, mit welchen die einzelnen Batterien zur Gesamtleistung beitragen.
Sofern der Ladezustand der beteiligten Batterien erfasst wird, kann
die gewünschte
effektive Leistung dahingehend optimiert werden, dass die Batterie
mit höherem
Ladezustand einen größeren Anteil zum
Gesamtstrom beisteuert. Auf diese Weise kann ermöglicht werden, dass beide Batterien
gleichzeitig einen Zustand vollständiger Entladung erreichen.
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Der
Zustand vollständiger
Entladung wird dabei durch das Erreichen der Entladeschlussspannung
angezeigt. Beispielsweise kann eine Batterie, welche zu 50 Prozent
geladen ist, und eine zweite Batterie, welche zu 80 Prozent geladen
ist, gleichzeitig den Zustand der vollständigen Entladung erreichen,
wenn die erste Batterie 38 Prozent und die zweite Batterie 62 Prozent
zum Gesamtstrom beitragen. Selbstverständlich kann jedoch auch vorgesehen
sein, zumindest in einem Teillastbetrieb des Werkzeuges 3 zunächst die
Batterie mit höherem
Ladezustand auf den Ladezustand der Batterie mit niedrigerem Ladezustand
zu entladen, um dann beide Batterien gleichmäßig weiter zu entladen, bis
der Zustand vollständiger
Entladung erreicht ist.
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Durch
die Anpassung der von beiden Batterien jeweils gelieferten Leistung
kann weiterhin die Gesamtleistung des Elektrowerkzeuges 3 an
den jeweiligen Betriebszustand angepasst werden. Beispielhaft soll
das Eindrehen einer Schraube mit einem Elektroschrauber betrachtet
werden. Dieser benötigt
nur eine Teilleistung für
das Eindrehen einer Schraube, sofern nur wenige Gewindegänge der Schraube
im Werkstück
greifen. Mit zunehmender Einschraublänge vergrößert sich die Reibung zwischen
Werkstück
und Schraube, was zu einem kontinuierlichen Anstieg der aufgenommenen
Leistung führt.
Bei Aufsetzen des Schraubenkopfs am Werkstück wird schließlich kurzzeitig
eine Maximalleistung verlangt, bis der Benutzer den Einschraubvorgang abbricht
oder eine Drehmomentbegrenzung eingreift. Bei Abgabe der Maximalleistung
kann vorgesehen sein, dass beide Batterien 1 und 2 jeweils
ihre Höchstleistung
erbringen, sodass zu diesem Zeitpunkt kein Ausgleich unterschiedlicher
Ladungszustände
möglich
ist. Da jedoch während
der überwiegenden
zum Eindrehen einer Schraube erforderlichen Zeit lediglich eine
Teilleistung verlangt wird, kann in dieser Zeitspanne der Ausgleich
unterschiedlicher Ladezustände
durch unterschiedliche Belastung der Batterien erfolgen.
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3 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Vorrichtung.
Das Blockschaltbild zeigt wiederum zwei Batterien 1 und 2.
Die Batterien werden über
Schaltelemente 6a und 6b mit einem Verbraucher 7 verbunden.
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Die
Schaltelemente 6a und 6b können in einer einfachen Ausführungsform
der Erfindung beispielsweise als elektromagnetisches Relais ausgeführt werden.
Alternativ können
auch Halbleiterschalter wie beispielsweise Feldeffekttransistoren,
Bipolartransistoren oder IGBT verwendet werden. Die Schaltelemente
können
die Verbindung beider Batteriepole mit dem Verbraucher 7 oder
lediglich die Verbindung eines Batteriepols mit dem Verbraucher 7 unterbrechen.
Insofern ist die Darstellung in 1, welche
nur eine Verbindung zwischen den Batterien 1 und 2 und
dem Verbraucher 7 zeigt, lediglich als schematische Darstellung
anzusehen.
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Weiterhin
zeigt 3 einen Verbraucher 7. Der Verbraucher 7 kann
beispielsweise eine Lampe oder ein Elektromotor eines Elektrowerkzeuges
sein. Selbstverständlich
ist dem Fachmann geläufig,
dass auch der Verbraucher 7 mindestens zwei Anschlussleitungen
aufweist, um einen geschlossenen Stromkreis mit den Batterien 1 und 2 zu
bilden. Das Blockschaltbild nach 3 ist nur
als schematische Darstellung zu verstehen.
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Die
erfindungsgemäß vorgeschlagene
Vorrichtung weist eine Steuereinrichtung 5 auf. Die Steuereinrichtung 5 kann
beispielsweise in Form eines integrierten Schaltkreises ausgeführt werden,
welcher alle für
die Funktion der Steuereinrichtung 5 relevanten Funktionen
ausführt.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Steuereinrichtung 5 einen
Mikroprozessor, einen Mikrocontroller, einen digitalen Signalprozessor
oder einen programmierbaren Logikbaustein umfasst. In diesem Fall
kann die Steuereinrichtung 5 weiterhin ein Computerprogramm
umfassen, welches auf den genannten Halbleiterbauelementen ausgeführt wird
und dabei die Funktionen der Steuereinrichtung 5 realisiert.
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Die
Steuereinrichtung 5 steuert die Schaltelemente 6a und 6b,
d. h. durch Befehle der Steuereinrichtung 5 wird eine Batterie 1 oder 2 wechselweise
mit dem Verbraucher 7 verbunden, um die von diesem aufgenommene
Leistung bereitzustellen. Die Steuereinrichtung 5 kann
dabei die Einschalt- und Pausenzeiten in Abhängigkeit des Leistungsbedarfs des
Verbrauchers 7 und/oder in Abhängigkeit des Ladezustandes
der Batterien steuern oder regeln.
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Zur
Anpassung des aus einer einzelnen Batterie entnommenen effektiven
Stromes an den Ladezustand der Batterie steht eine Einrichtung 8 zur
Erkennung des Ladezustandes der Batterien 1 und 2 zur
Verfügung.
Dabei zeigt 3 nur eine einzelne Einrichtung 8,
welche den Ladezustand beider Batterien 1 und 2 überwacht.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass jede Batterie eine zugeordnete
Einrichtung 8 zur Überwachung
des Ladezustandes aufweist. Diese kann fallweise im Gehäuse der
Batterie 1 oder 2 oder im Gehäuse des Elektrowerkzeuges 3 angeordnet
sein.
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Obgleich
die Erfindung vorstehend beispielhaft anhand von zwei Batterien 1 und 2 dargestellt wurde,
ist dem Fachmann selbstverständlich
geläufig,
dass die Vorrichtung leicht auf eine größere Anzahl von Batterien erweitert
werden kann. Dadurch kann der maximal für den Verbraucher 7 bereitgestellte
Strom und/oder die Spannung und/oder die Batteriekapazität weiter
vergrößert werden.
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Dem
Fachmann ist selbstverständlich
geläufig,
dass die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele
beschränkt
ist. Vielmehr können
bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen
vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die
vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern
als erläuternd
anzusehen.